JP4511563B2

JP4511563B2 - 顕微鏡

Info

Publication number: JP4511563B2
Application number: JP2007032772A
Authority: JP
Inventors: 徹林
Original assignee: 株式会社林創研
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2007133435A

Description

本発明は、顕微鏡、露光装置、プロジェクタ、分光機器などの光学機器に利用される光源として、複数のＬＥＤランプ又はＬＥＤチップを利用した照明装置およびその照明装置を用いた顕微鏡に関する。

従来の光学装置では、ほとんど単一の光源を利用しており、光強度を増加させる場合には光源の強度そのものを上げること、すなわち大きな光源が採用されている。光強度を増加させる手段として、特許文献１には部分導入部を設けたロッドインテグレータが、加えて、特許文献２には光源と同数の入射端面を持つロッドインテグレータがそれぞれ開示されている。これらのいずれもロッドインテグレータの入射端面に複雑な加工を施しているために高価である。最近の技術進歩により、ＬＥＤランプとして使用可能な安価で高輝度化したＬＥＤチップが開発され、その応用分野も広がっている。

従来の蛍光顕微鏡には、水銀ランプ等の大型ランプを使用し励起光に用いる波長の光だけをフィルター等で選択し，光源から射出される光のごく一部分だけを利用しているに過ぎなかった。ＬＥＤを利用すると上記の問題は解決されるものの、高輝度なＬＥＤが開発されてはいるが単一のＬＥＤの利用では光量が不足している。しかし複数利用すると照明ムラを生じる。また、一般的に透過観察、蛍光観察ともに顕微鏡の照明方法としてはケーラー照明法が広く採用されている。光源の像を試料に結像する臨界照明法は、深さ方向の分解能が高いことなど、多くの長所があるにもかかわらず普及していない。これは照明ランプの光源部を結像すると、ランプのフィラメントやアークの像が試料中に現出し、照明斑を生じるためである。この問題点に対して、この照明斑を解消するために散乱体を挿入する方法がある。例えば、フロスト電球や蛍光管の採用などである。

ＬＥＤを利用した照明装置として、特許文献３には、ＬＥＤディスプレイを構成する基本ユニットとして，複数のＬＥＤを利用し，またとなり会うユニットとの干渉を避けかつ光輝度を均一化するためにロッドインテグレータやライトパイプを利用したことが記載されている。またＬＥＤを利用した顕微鏡用照明装置として、特許文献４には複数のＬＥＤと回折光学素子やレンズを利用し，顕微鏡観察試料を直接散光照明する方法が記載されている。更に、顕微鏡の照明法として、特許文献５には顕微鏡のケーラー照明法とクリティカル照明法とをレンズ郡を光学系から脱着挿入することで簡便に切り換える方法が記載されている。

特開平５−７２６２７号公報特開２０００−７５４０７号公報特開平１０−３１９８７３号公報特開２００２−１８９１７４号公報特開平１０−２３２３５３号公報

ところで、ＬＥＤランプ又はＬＥＤチップの単体では用途によって光量不足が問題となり、また高密度に複数個実装した場合には放熱も問題である。また、従来の顕微鏡の照明方法においては、散乱体からの散乱光が全方位に広がり、試料照明にはこのうち一部分しか利用できないので十分な光量が確保できない。すなわち暗いという問題があった。また散乱体が必要以上に厚いので、散乱体を擬似平面光源とみなして、試料に結像しても厚み方向の分解能が上がらないという問題があった。特に蛍光顕微鏡観察において臨界照明法を採用すると感度、分解能ともに上昇することが期待されているが、上記の問題と価格の問題で普及していない。
本発明の目的は、光源にＬＥＤを採用し、分解能と感度の高い観察ができると共に、照明斑のない均一な、光の利用効率の高い、低消費電力でコンパクトな照明装置を採用した顕微鏡を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明に係る顕微鏡は、照明装置からの光で試料を照明し、該試料からの透過光若しくは蛍光を結像させて観察する顕微鏡であって、
前記照明装置は、複数のＬＥＤからなる光源と、前記ＬＥＤから発する光束を入射端面に入射し、内部で前記光束を重畳して加算し、出射端面に平面状光源を生成するロッドインテグレータと、前記複数のＬＥＤからなる光源とロッドインテグレータとの間隔を保持した状態で、前記ロッドインテグレータの出射端面の位置を視野絞り位置に移動させて臨界照明に切り替え、または開口絞り位置に移動させてケーラー照明に切り替える照明切り替え手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記複数のＬＥＤからなる光源は、熱伝導性電極基板と、前記熱伝導性電極基板に配置され、ＬＥＤチップをマウントした一方のリードフレームを前記熱伝導性電極基板に電気的かつ熱的に直接接続されていると共に、前記各ＬＥＤチップの他方のリードフレームが絶縁フィルムによって前記熱伝導性電極基板から絶縁された配線パターンに接続された複数のＬＥＤランプとを備えていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１において、前記複数のＬＥＤからなる光源は、熱伝導性電極基板と、ＬＥＤチップの一方の電極が前記熱伝導性電極基板に直接マウントされ電気的かつ熱的に直接接続されていると共に、前記各ＬＥＤチップの他方の電極が絶縁フィルムによって前記熱伝導性電極基板から絶縁された配線パターンにボンディングワイヤにより接続された複数のＬＥＤチップからなるＬＥＤチップ集積体とを備えていることを特徴とする。

本発明の顕微鏡によれば、ロッドインテグレータを用いた場合には照明ムラのないクリティカル照明が可能になり、またロッドインテグレータに替えて薄膜散乱体を利用した場合には安価に製作することができ、更に広く普及している従来の顕微鏡を基に改作することも容易であると共に、焦点深度の深い観察と焦点深度の浅い観察を観察中の簡単に切り替えることができる。
更に顕微鏡の照明装置によれば、複数のＬＥＤランプからの光束をロッドインテグレータで重畳し、その光強度を加算した照明装置として利用することができる。その照明装置は照明ムラのない均一光源となる。またＬＥＤチップがマウントされているリードフレーム、或はＬＥＤチップ自体を熱伝導性電極基板に熱結合させることで、放熱効果が良くなってＬＥＤに大きな電流を流すことができるため光強度が増大し、同時に発熱による劣化を抑えて長寿命化が図れる。

以下に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の顕微鏡に適用する照明装置の原理を説明する概念図である。複数のＬＥＤランプL１〜Lｎからの光束をロッドインテグレータの入射端面に集光させる。この際ロッドインテグレータの受光角以内に光束が入射される様にＬＥＤランプL１〜Lｎを配置する。ロッドインテグレータの入射端に入射した光束は、ロッドインテグレータ内部で多重反射され、個々のＬＥＤランプからの光束が重畳加算されると同時に均一化される。個々のＬＥＤランプの指向性が鋭い場合には、ＬＥＤランプの光軸、すなわち射出方向をロッドインテグレータの入射端面に向けて配置するだけで十分である。指向性が鈍い場合にはレンズやミラーを利用して個々のＬＥＤランプからの光束をロッドインテグレータの入射端面に集光させる。本発明では、ロッドインテグレータの受光角の制限から空間的に配置されるＬＥＤランプの数が制限を受ける。そこで、光量が更に不足する場合には、図２に示す様に照明装置を多段（カスケード）に接続して、ＬＥＤランプの数を多くすることにより光量を増強する。

本発明の顕微鏡に適用する照明装置の実施例を説明する。図３は第１実施例の構成図である。図４はＬＥＤランプ１の熱伝導性電極基板への組付け状態を示す図である。本実施例では複数のＬＥＤランプ１が、例えば銅板で作製された熱伝導性電極基板２に配置され、ＬＥＤランプ１の光軸がロッドインテグレータ３の入射端面に向く様に設置される。各ＬＥＤランプ１のＬＥＤチップ１０のカソード電極とアノード電極のいずれかの電極側をマウントしたリードフレーム１１が熱伝導性電極基板２に電気的に接続されている。熱伝導性電極基板２のＬＥＤランプ1の固定面は凹球面に形成されており、絶縁フィルム４が貼付けられている。上記リードフレーム１１は絶縁フィルム４を貫通して熱伝導性電極基板２に電気的に接続されている。他方のリードフレーム１２は、絶縁フィルム４の表面に施された配線パターン７に接続されている。本実施例では銅製の熱伝導性電極基板に半田付けで結合したが、そのほか電気と熱を良く伝える接着剤の利用も可能である。この熱結合によってＬＥＤチップ１０から発生する熱を効率良く逃がすことが出きる。

熱伝導性電極基板2から熱を逃がすために、熱伝導性電極基板には放熱手段が設けられている。放熱手段の一つの具体例が図３に示されている。本例は熱伝導性電極基板２の背面にペルチェ素子８を配置し、このペルチェ素子８に放熱器5を設けて、それぞれを熱結合させ、更に放熱器5を冷却ファン6により冷却するよう構成されている。本実施例ではビューアングル±6度の指向性の鋭い砲弾型ＬＥＤランプ１を16個用いて格子状に配置した。他の形状、性能を持つＬＥＤランプ１を任意の数だけ任意に配置可能である。

図５は第１実施例の変形例の構成図を示す。本実施例は平らな熱伝導性電極基板２に複数のＬＥＤランプ１の光軸が互いに平行になるよう配置されている。ＬＥＤランプ１とロッドインテグレータ３との間には、各ＬＥＤランプ１の光束をロッドインテグレータ３の入射端に集光する集光レンズ９が設置されている。本実施例によれば、各ＬＥＤランプ１の光軸をロッドインテグレータ３の入射端に向くように調整する必要がなく、単にＬＥＤランプ１を平面的に配置するだけでロッドインテグレータ３の入射端に光束を導くことができるので、ＬＥＤランプ１の指向性が鈍い場合に有効である。

ロッドインテグレータ３は、入射端から導入された光束が多重反射を繰り返し射出端に伝播する光学伝播体である。図６に示すロッドインテグレータ３は、オプティカルファイバと同様に屈折率の低い光学材料で形成されたクラッド３０が屈折率の高い光学材料で形成されたコア体３１の周りを取り囲んでいる。図７に示すロッドインテグレータ３は、周囲の空気にクラッドの機能を持たせて表面で全反射させることができるガラス棒、プラスチック棒でコア３１が構成されている。図８に示すロッドインテグレータ３は、ガラスやプラスチックの表面にアルミなどの金属をコーティングして鏡３２としたミラーロッドである。図９に示すロッドインテグレータ３は、ロッドインテグレータが入射端３Ａから出射端３Ｂに向けて断面積が小さくなるテーパー状に形成された構造の代表的な実施例である。テーパー状のロッドインテグレータは光束を縮小し、光強度を増すよう作用する。テーパー状に絞り込んだ形状は射出端をオプティカルファイバと光学的に結合してファイバ光源を製作することができる。テーパー状ロッドインテグレータの応用例としては、図１０に示す点状光源、或は図１１に示す線状光源を作り出すことができる。点状光源は、レンズを付加することによって簡単に平行な光が得られる。その他、テーパー形状は図７のコアのみの構造、或は図８のコア表面に鏡を施した構造などにも適用される。またロッドインテグレータの形状は円柱や角柱だけではなく、また直線状以外にも曲線状を取ることができる。

ロッドインテグレータ３の入射端の構成について説明する。ロッドインテグレータ３のコア体３１の入射端は、図１２に示すように受光角度を拡大するための集光レンズ３３が入射端面に接触させて配置され、或は図１３に示す凸レンズ３４に形成されている。図１４はロッドインテグレータ３のコア体３１のコア材とＬＥＤランプ１とをモールド成形により一体化した構造を示す。
これらロッドインテグレータ３の入射端及び出射端の構成については、クラッド３０や鏡３２のある構造、無い構造など上記の実施例に選択的に適用できる。

照明装置の第２実施例を説明する。図１５は照明装置の第２実施例を構成するＬＥＤチップ集積体の斜視図、図１４はＬＥＤチップ集積体の一部断面図である。ＬＥＤチップ集積体は、複数のＬＥＤチップ９が接着により熱伝導性電極基板２に直接マウントされて電気的かつ熱的に接続されている。熱伝導性電極基板２の表面には配線パターン７が設けられた絶縁フィルム４が貼設けられている。各ＬＥＤチップ９の他方の電極は、ボンディングワイヤ１３によりチップ抵抗１４を介して配線パターン７に接続されている。図には示していないが、全体または少なくともＬＥＤチップ９とボンディングワイヤ１３は保護のため透明樹脂で覆われている。

ＬＥＤチップ集積体は、前述のＬＥＤランプに換えて利用することができる。また、多数のＬＥＤチップ集積体は、ＬＥＤチップ7がリードフレームを介さずに直接熱伝導性電極基板２に熱結合されているので放熱効率に優れるばかりでなく、量産に適している。

上述の照明装置を採用した本発明の顕微鏡の実施例を説明する。図１７は顕微鏡の模式図である。顕微鏡は、照明装置５０からの光を視野レンズ４０で平行光にしダイクロイックミラー４１に反射させて対物レンズ４２を通して試料面を照明する。試料面からの透過光若しくは蛍光は、対物レンズ４２、ダイクロイックミラー４１を通して結像レンズ４３により結像面に結像させて観察する。

照明装置５０は、ロッドインテグレ―タ３の射出端が顕微鏡の視野絞り位置に合致する様に配置される。これによりロッドインテグレータ３の射出端に生じる輝度ムラの無い均一な平面状光源を試料の観察面に結像しクリティカル照明が実現される。これにより照明ムラのないクリティカル照明が可能で、ケーラー照明に比べて焦点深度の浅い状態での観察ができる。観察の焦点深度は、照明の焦点深度と結像の焦点深度の積に比例するためである。

本発明は透過光照明、蛍光観察などの落射照明の両方に適応できる。焦点深度が浅いので光学スライス像が得られる。また観察面を深さ方向にずらしながら複数枚の光学スライス像を取得し、これらの光学スライス像から画像処理技術により三次元の立体像を再構成することも可能である。またロッドインテグレータの射出角は材質の屈折率を調整することができるので、ロッドインテグレータの前に配置された視野レンズに光エネルギーのロスなく伝達することができる。

照明装置５０を図示矢印の方向に視野絞り位置と開口絞り位置に移動させる照明切替手段が設けられる。照明切替手段は、光源１とロッドインテグレータ３の間隔を保持した状態で、ロッドインテグレータ３の出射端面の位置を視野絞り位置に移動させて臨界照明に切り替え、または開口絞り位置に移動させてケーラー照明に切り替える。ロッドインテグレータの射出端を開口絞り位置に合致させることでケーラー照明となる。

照明装置の原理を説明する概念図である。照明装置をカスケード接続した応用例を示す図である。照明装置の第１実施例の構成図である。ＬＥＤランプの熱伝導性電極基板への組付け状態を示す図である。第１実施例の変形例を示す構成図である。ロッドインテグレータの実施例を示す図である。ロッドインテグレータの変形例を示す図である。ロッドインテグレータの他の変形例を示す図である。ロッドインテグレータの他の変形例を示す図である。テーパー状ロッドインテグレータを利用した点状光源の例を示す図である。テーパー状ロッドインテグレータを利用した線状光源の例を示す図である。ロッドインテグレータ受光角拡大手段の実施例を示す図である。ロッドインテグレータ受光角拡大手段の変形例を示す図である。ＬＥＤをロッドインテグレータの入射端にモールド成形により一体化した構造を示す図である。ＬＥＤチップ集積体の斜視図である。ＬＥＤチップ集積体の部分断面図である。本発明の顕微鏡の模式図である。

符号の説明

１…ＬＥＤランプ、２…熱伝導性電極基板、３…ロッドインテグレータ、４…絶縁フィルム、５…放熱器、７…配線パターン、１０…ＬＥＤチップ、１１，１２…リードフレーム、３０…クラッド体、３１…コア体、３２…ミラー、５０…照明装置

Claims

照明装置からの光で試料を照明し、該試料からの透過光若しくは蛍光を結像させて観察する顕微鏡であって、
前記照明装置は、複数のＬＥＤからなる光源と、
前記ＬＥＤから発する光束を入射端面に入射し、内部で前記光束を重畳して加算し、出射端面に平面状光源を生成するロッドインテグレータと、
前記複数のＬＥＤからなる光源とロッドインテグレータとの間隔を保持した状態で、前記ロッドインテグレータの出射端面の位置を視野絞り位置に移動させて臨界照明に切り替え、または開口絞り位置に移動させてケーラー照明に切り替える照明切り替え手段とを備えていることを特徴とする顕微鏡。
前記複数のＬＥＤからなる光源は、熱伝導性電極基板と、前記熱伝導性電極基板に配置され、ＬＥＤチップをマウントした一方のリードフレームを前記熱伝導性電極基板に電気的かつ熱的に直接接続されていると共に、前記各ＬＥＤチップの他方のリードフレームが絶縁フィルムによって前記熱伝導性電極基板から絶縁された配線パターンに接続された複数のＬＥＤランプとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
前記複数のＬＥＤからなる光源は、熱伝導性電極基板と、ＬＥＤチップの一方の電極が前記熱伝導性電極基板に直接マウントされ電気的かつ熱的に直接接続されていると共に、前記各ＬＥＤチップの他方の電極が絶縁フィルムによって前記熱伝導性電極基板から絶縁された配線パターンにボンディングワイヤにより接続された複数のＬＥＤチップからなるＬＥＤチップ集積体とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。